¿Por qué los FPGA son tan caros?

Los chips FPGA incluyen conexiones lógicas y programables entre elementos lógicos, mientras que los ASIC incluyen solo la lógica.

Se sorprendería de cuánta área de chip se dedica al "tejido de conexión" en un FPGA: es fácilmente el 90% o más del chip. Esto significa que los FPGA utilizan al menos 10 × el área de chip de un ASIC equivalente, ¡y el área de chip es cara!

Cuesta una cierta cantidad hacer todo el procesamiento en una oblea de silicio dada, sin importar cuántos chips individuales haya en ella. Por lo tanto, en una primera aproximación, el costo del chip es directamente proporcional a su área. Sin embargo, hay varios factores que lo hacen peor que eso. En primer lugar, los chips más grandes significan que hay menos sitios utilizables en la oblea para comenzar: las obleas son redondas, los chips son cuadrados y se pierde una gran cantidad de área alrededor de los bordes. Y las densidades de defectos tienden a ser constantes en la oblea, lo que significa que la probabilidad de obtener un chip sin un defecto (es decir, "rendimiento") disminuye con el tamaño del chip.

Otro factor clave del costo es la verificación.

Los FPGA deben probarse individualmente antes de la venta. Esto se debe en parte a garantizar que los miles a varios millones de interconexiones de enrutamiento y las celdas lógicas sean funcionales. Sin embargo, la verificación también incluye la caracterización y la clasificación de velocidad, lo que determina la rapidez con la que puede funcionar el silicio y que la velocidad y los retrasos de propagación de todas las muchas interconexiones y celdas coincidan adecuadamente con los modelos de sincronización para su calidad.

Para los diseños de ASIC, las pruebas son generalmente más sencillas: un sí-no, el diseño funciona como se esperaba. Como tal, el tiempo requerido para la verificación es probablemente mucho menor, y por lo tanto más barato de realizar.

Hay un (más) punto importante que generalmente se pasa por alto, la tecnología de proceso.

Los FPGA que tienen una alta cuota de mercado se fabrican con tecnología de punta. Para ser más específicos, los FPGA Kintex-7 tienen un proceso TSMC 28nm y su envío comenzó en 2011 ^[1] . TSMC había comenzado una producción en masa de 28 nm en el mismo año ^[2] .

  

[1] Xilinx envía los primeros FPGA Kintex-7 de 28nm (Por Clive Maxfield,   03.21.11)

     

[2] Chang dijo: "Nuestro volumen de 28 nm ingresó el año pasado.   y contribuyó con el 2 por ciento de los ingresos de obleas del 4T11 ".

No conozco el proceso de los conmutadores Ethernet, pero la mayoría de las empresas de diseño de ASIC no siguen la tecnología de vanguardia. Tampoco tiene sentido para las fundiciones.

El siguiente cuadro muestra los ingresos de TSMC por tecnología ( 1Q18 ). Incluso en 2018, el 39% de los ingresos provienen de tecnologías anteriores a 28 nm. Si pensamos en la cantidad de chips, no es difícil imaginar que más de la mitad de los ASIC se fabrican hoy en día con tecnologías anteriores al Kintex-7 de 7 años.

Como conclusión, la tecnología de proceso es uno de los factores que hacen que los FPGA sean más caros. No afirmo que sea un factor dominante, pero lo suficientemente significativo como para ser considerado.

Voy a arriesgarme y diré que esto está muy dominado por la simple oferta y demanda. Los conmutadores Ethernet se producen en masa con enormes economías de escala y se venden con descuentos sobre chips que no se usan tan ampliamente. Yo diría que los FPGA no se implementan tan ampliamente como switches Ethernet, por lo que cuestan más porque los costos de desarrollo e infraestructura se reparten entre menos clientes.

Esto no se trata del proceso o tamaño del troquel ni nada de eso. Considere el Xilinx Virtex-7 (solo porque podría encontrar datos para él más fácilmente) y comparémoslo con algunos contemporáneos:

• Virtex7 (2011), 28nm, ~ 6.8 billones de transistores, $ 2500USD (modelos populares) a $ 35,000USD (modelos de gama más alta)
• NVIDIA Kepler GK110 (2012), 28nm, ~ 7.1 billones de transistores, tarjetas Tesla K20 ~ $ 3200 USD en el lanzamiento (el precio del chip es una fracción menor de eso)
• XBoxOne SOC (2013), 28nm, ~ 5 billones de transistores, $ 499 USD para toda la XBox en el lanzamiento
• Xeon E5-2699 v3 [18 núcleos] (2014), 22 nm, ~ 5.6 mil millones de transistores, ~ $ 4500 USD

En general, el FPGA de Virtex parece ser de precio razonable (modelos más populares) en comparación con otro tipo de silicio de conteo, generación y volumen de ventas de transistores similares. El XBox SOC sobresale como algo que se implementó ampliamente en un dispositivo de consumo y el costo también es mucho menor.

El computador GK110 de NVIDIA fue mucho menos implementado que los chips de consumo similares que terminaron en tarjetas de juego y era igualmente más caro, incluso dadas las similitudes arquitectónicas y el hecho de que los chips se hicieron en la misma fábrica.

En cuanto a los chips Virtex, no hay una diferencia 10x en la complejidad de los chips de $ 2500 frente a los chips de $ 35000; estos últimos son simplemente mucho menos populares y, con menores volúmenes de ventas, el costo por unidad es necesariamente más alto.

El mercado está lleno de esto. Cualquier cosa que puedas vender de cien millones de dólares siempre puedes hacer más barato que algo de lo que tal vez venderás cien mil.